domingo, 22 de febrero de 2015

Formula 1 y fuerza de sustentación




Ayer leía el artículo "posteado" en Gizmodo (http://es.gizmodo.com/este-f-16-logro-volar-160-km-y-aterrizar-con-media-ala-1687173078), donde se hablaba de un F-16 que pudo regresar a la base y aterrizar después de haber perdido una gran parte del ala. 

No es la primera vez que esto sucede. En noviembre de 1988 ocurrió algo similar en España, en la Base aérea de Zaragoza. Recuerdo que el incidente se produjo cuando, por error, un F18 biplaza que aterrizaba se encontró con un C-130 Hercules que despegaba. Solo una rápida maniobra del caza en el ultimo momento, junto con la pericia de los pilotos y el mecánico de vuelo, evitó la tragedia. 

El choque se produjo de forma que el ala del F-18 literalmente cortó la del Hercules, quitándole unos tres metros de ala izquierda (si la memoria no me falla). Mientras que los pilotos del C-130 mantenían el vuelo, el mecánico se encargó rápidamente de aislar los circuitos de combustible e hidráulico (creo recordar) que manaban a raudales por la ruptura del ala. Trozos de ambos aviones incluido el trozo de ala cortada cayeron sobre el barrio Zaragozano de Garrapinillos, muy próximo a la Base Aérea. No hubo más desgracias y ambos aviones regresaron para aterrizar. Hoy en día se puede ver un monumento con ambas alas cruzadas en la Base Aérea.






No es un caso aislado, existen varios hechos similares, uno de los más espectaculares es el del F15 que perdió absolutamente todo el ala derecha y pudo regresar volando para aterrizar. Mucha gente me ha preguntado entonces, ¿Como es posible que se pueda volar sin ala? ¿Está sobre valorada el ala y la aerodinámica?

Todos aquellos que hayan leído los posts anteriores(aquí y aquí) sobre el ala y la generación de fuerza sustentadora no tendrán mucho problema en entender que la sustentación es la combinación de muchas cosas. Una de las más importantes es la parte que genera el ala, pero no es la única. El fuselaje en si mismo también genera sustentación. Además, dependiendo de como sea el fuselaje la sustentación puede llegar a ser muy grande. Cuando se calcula la sustentación se usa la siguiente formula: 


donde S es la superficie total del ala, entendiéndose como total el hecho de que el ala y el fuselaje coincidan en algún punto, como por ejemplo en la parte alta del avión. En el caso del Mirage F1 o el F-15, por ejemplo, la zona dorsal es parte del ala.



La fuerza aerodinámica que se genera para la sustentación es enorme. Piénsese que un avión comercial como un Airbus A330 puede llegar a despegar pesando 300 toneladas, nada menos. Las alas deben de generar una fuerza incluso mayor que esa. 

Cuando empecé a trabajar para SWISS hace unos años coincidí en Zurich con varios ingenieros industriales y aerodinamicístas, que trabajaban para la casa SAUBER de Formula 1. En una ocasión incluso me encontré incluso con el piloto Español Pedro de la Rosa (un tío estupendo). Me invitaron a visitar el túnel del viento donde se preparan los elementos aerodinámicos del monoplaza y rápidamente surgió la duda. Yo les preguntaba cual era la capacidad real de crear la "down force" famosa que pega al bólido al suelo y permite a estos monoplazas ir muy rápido en las curvas (recuérdese que en F1, el secreto es poder ir rápido en curva y no tanto en recta). La respuesta es como casi siempre "depende". Entonces empezamos por poner casos concretos. Sabemos que un monoplaza de F1 puede pesar alrededor de unos 650 kg. Sabemos que el circuito más revirado del campeonato (donde menos rectas hay y más importante es la "down force") es Mónaco. Los alerones de este Gran Premio son los más grandes y su misión es pegar al suelo todo lo posible al monoplaza. Después de hacer varios cálculos, los ingenieros me dijeron que podría salir una "down force" de casi una tonelada y media siempre y cuando se alcanzaran los 200 km por hora, como por ejemplo en el famoso túnel de Mónaco.


Mi pregunta entonces fue la siguiente: ¿Se podría ir boca abajo en el túnel a esa velocidad siempre y cuando el túnel fuera de tipo circular y hubiera medios de hacer que el monoplaza llegara a adoptar la posición?. La respuesta es si, claro que si, sin duda. A unos 200 km por hora la "down force" dobla el peso del monoplaza y según las leyes de la física no habría problema (...eso si, que no se nos ocurra tocar el freno una vez que estamos boca a bajo). 











Hay un anuncio de Michael Schumacher con un Mercedes, pero en ese caso es trucaje. 









Todo esto es en teoría, hasta ahora nadie se ha atrevido a hacer esto de verdad. No siquiera los Mythbusters (Cazadores de mitos), y todo ello porque el mas mínimo defecto en el tunel o cualquier bache podrían dar al traste con muchos millones de dólares y quizás la vida del piloto. Tampoco se podría ir boca abajo todo el tiempo aunque el tunel fuera perfecto. Piénsese que la lubricación de los motores no está pensada para ir boca a bajo (el carter dentro del coche estaría al reves sin "down force") y el aceite no llegaría a las partes que necesitan ser lubricadas... El motor se rompería. Esto mismo ocurre con los aviones de caza. En el F18, por ejemplo no se podría estar mas de 30 segundos boca abajo sin aplicar G's positivas, ese es el tiempo máximo que podría resistir el General Electric sin lubricación.

Sabiendo todo esto, no nos debería de asombrar que la pérdida de parte de un trozo de ala o incluso del ala entera en algunos casos no sea la causa de que el avión se caiga inmediatamente.

Si vemos la fórmula de la sustentación una vez más y la transponemos de forma que se pueda calcular la velocidad de perdida de la aeronave (ver post, "Cuando nada se sostiene"), lo único que ocurre es que la mencionada velocidad tiene que ser mas alta. Tanto mas cuanto menos S ( superficie alar) o si se quiere, tanto más cuanto más superficie alar hayamos perdido.


Otra historia muy distinta es la gobernabilidad de la aeronave, pero en principio, si se puede gobernar el avión, no hay problema si se genera la suficiente velocidad y con ella la suficiente fuerza aerodinámica.

Para seguir leyendo alguna cosa más relacionada con la sustentación recomiendo este post de un Blog muy interesante desde el punto de vista de la ingeniería. http://www.aviacioncivil.com.ve/por-que-vuela-un-avion-teorias-para-explicar-la-sustentacion

Gracias a Alejandro Irausquin por hacérmelo llegar :)

2 comentarios:

  1. En la formula de la sustentación el Cl no es el angulo de ataque, es el coeficiente de sustentación que se relaciona con algún angulo de ataque, ademas la "V" no solo es la "velocidad", es la Velocidad verdadera del aire (TAS) que es la que es la imprimida por los motores.

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    1. Hola Enrique, muchas gracias por el comentario.

      Desde un punto de vista más formal es cierto que el Cl no es el ángulo de ataque, pero ambas cosas son directamente proporcionales y hablar de una e,s por lo tanto, hablar de la otra. La razón de tratarlas de forma equivalente es que desde nuestro punto de vista de pilotos nosotros no podemos ver el Cl en el cockpit, mientras que el AoA si se puede ver o al menos calcular. Esa es la razón por la cual la mayoría de los fabricantes nos proporcionan la indicación con el famoso PLI o Pitch Limit Indicator, que se suele ver en la parte superior de los PFD. Todos nosotros sabemos desde que comenzamos a volar, que cualquier avión (convencional) siempre entra en pérdida a un determinado ángulo de ataque. Por ese motivo utilizamos ambas denominaciones en las fórmulas.

      Con respecto a la velocidad también hablamos de lo mismo. Efectivamente es TAS o True Air Speed, pero como seguramente sabrás la TAS es igual a la CAS (que es la que podemos leer en nuestros instrumentos) cuando estamos a nivel del mar y en condiciones ISA. Una vez más, esta fórmula es una simplificación para poder entender lo que genera sustentación. Si fueramos aún más puristas podríamos decir que V es precisamente esa letra porque se trata de un vector velocidad y no simplemente distancia recorrida en un tiempo determinado. Si fuera así, en la fórmula usaríamos la letra S del inglés para "Speed". En lugar de ello usamos la letra V, para designar "Velocity", lo cual representa un vector, con módulo, dirección y sentido. Pero aquí en este Blog, como te habr´s dado cuenta, no somos tan formales con el fin de que tenga carácter generalista.

      Un cordial saludo
      Manolo

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